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科普知识:浅谈铸造与模流软体

2024-01-03

科普知识:浅谈铸造(Casting)与模流软体(Molding simulation)

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在科技发达的现代社会中,不管是人手一机的智慧型手机、辨公事务上必须的笔记型电脑、还是在道路上奔驰的汽机车…等,这些常见的电子消费性产品和工业产品内使用着大量的金属零件。但您是否知道,这些金属零件是运用什么样的技术来制造出来?

在这边我们会分几个章节,来浅谈与人类文明发展息息相关的金属加工技术之一的「铸造(Casting)」,」,以及用来模拟在产品制造过程中熔融材料在模具内变化的「模流软体(Molding simulation)」。希望能有助于大家,能对铸造以及模流软体能更进一步理解。

 

什么是铸造(Casting)?

自从人类发现金属的可塑性后,就开始研究其相关加工技术并随着人类社会演进发展至今。而在制造过程中所运用到加工技术,除了像是切削加工(NC, Numerical Control machining;CNC, Computerized Numerical Control )冲压加工(Stamping)锻造加工(Forging)…等之外,还有一种加工技术叫做铸造(Casting)

铸造(Casting)是长久以来伴随人类发展的金属加工技术之一,最早可追朔到纪元前(BC3200)的美索不达米亚(Mesopotamia)的青铜器。而该技术是利用金属在被加热至熔点(Melting point)时会融化成液体的特性,将熔融金属倒入模具内,待其冷却后取得需求之造型成品。

而在现代压铸技术上,概略上可以用压铸上所使用的模具材质,来区分成「消耗模铸造(Expendable mold casting)」和「非消耗模铸造(Non-expendable mold casting)」。

  • 消耗模铸造(Expendable mold casting)

    使用像是沙、树脂、石膏、蜡…等材质塑形成模具,可供做临时、短暂性的需求使用。但因材质不具耐用性的关系,模具无法做重复性使用。而通常消耗模铸造上,会依使用之材质做命名。

    • 砂模铸造(Sand casting)
      为利用砂的可塑性‧凝聚性‧耐火性,将砂覆盖至模型上并进行压缩取得产品形状后,将熔融金属倒入砂模内进行铸造的技术。在生产完后,所使用的铸造砂可回收再利用。
    • 石膏模铸造(Plaster mold casting)
      将特殊成分调和的石膏覆盖至模型上待其凝固取得产品形状后,将熔融金属倒入石膏模内进行铸造的技术。在生产完后,所使用的石膏模虽会受熔融金属影响而有烧损无法继续使用,但石膏于回收后进行粉碎处理可再作利用。
    • 壳模铸造(Shell mold casting)
      与砂模铸造为相同概念,但于铸造砂内会混入黏着剂并加热成型,并于成形后会搭配其他模具一起使用。在生产完后,黏着剂会因高温崩解而使铸造砂恢复砂状,但因有杂质的关系需要处理后才可再作利用。
    • 脱蜡铸造(Lost-wax casting)
      与前述铸造技术不同的在于,该种材质无法重新利用。使用蜡(Wax)制作模型原型后,于其表面覆盖石膏、矽胶等材质,待其硬化‧干燥后放入烤炉内进行烧结成形。而在烧结过程中,模内的蜡会因高温熔解消失而空出空间。接着再将熔融金属到入模具内成型。
  • 非消耗模铸造(Non-expendable mold casting)

    与前面提及的消耗模铸造不同在于,使用可以承受高温、高压的特殊比例合金材质制作成模具,可供长期、半永久性需求使用。此外,因模具耐用之外,生产出来的产品具重复性且接近原始模具造型,非常适合用于大量生产产品或零件。而通常非消耗模铸造上,会依使用之技术而命名。

    • 永久模铸造(Permanent mold casting)
      为使用可承受高温且具极佳的金属疲劳耐性的材质制作成模具,进行铸造之技术。相关的铸造技术有重力铸造(Gravity casting)低压铸造(Low-pressure casting)…等。
    • 压力铸造(Die casting)
      压力铸造又称为压铸。为将熔融金属以高速‧高压的方式注入至精密模具后,在极短的时间内让产品得以成型的技术。在相关技术上,可区分为热室压铸(Hot-chamber die casting)冷室压铸(Cold-chamber die casting)
    • 半固态铸造(Semi-solid metal casting)
      为利用金属介于固态和液态状态下,固液共存时呈类似雪泥状(Sherbet)进行压铸的技术。在相关技术上,可区分成触变铸造(Thixocasting)流变铸造(Rheocasting)…等。
    • 离心铸造(Centrifugal casting)
      将熔融金属灌注入可旋转的模具内,利用熔融金属液体于离心力作用下会逐渐填充模具的特性进行铸造的技术。除应用在金属铸造外,亦可使用于其他可融化成液体的建筑或工业材质(混凝土、玻璃…等)上。


什么是模流软体(Molding simulation)?

过往在进行铸造生产时,由于无法观测到模具内部实际流动‧凝固情况,往往都得在量产前先生产试作品后,才能对模具方案进行检讨、设计是否妥当、强度是否足够、以及确认是否满足设计目的。但这种作法除了会消耗大量成本外,也会需要冗长的前置时间。

但随着电脑科技以及技术上的进步,所衍生出的电脑辅助工程CAE(Computer Aided Engineering)相关技术可以用来模拟模具内熔融材料的流动‧凝固状态,进而检讨‧验证来改善模具设计。而这个相关技术,就是所谓的模流软体(Molding simulation)。而在模流软体上可以依熔融材料的不同,来区分成使用树脂材料的射出成形(Injection molding simulation)和使用金属材料的铸造成形(Casting simulation)

 

  • 模流软体会被应用于?

    虽模流软体可模拟树脂材料的射出成形和金属材料的铸造成形,但多半都会被运用来做模具(Mold)产品(Product)的模拟和验证上。而在实际制程上,使用CAE技术的模流软体会如下图说明一般,应用在模具设计以及制作模具之间。若能确实运用模流软体,工程师们可以在制作模具前排除设计上不确定要素之外,或在产品发生问题时亦用来分析原因并用来做改善的依据。
    電腦輔助工程, 电脑辅助工程, CAE, Computer Aided Engineering, コンピューター支援設計,

  • 模流软体可分析之缺陷?

    关于模流软体可分析之缺陷部分,普遍来说都能对流动、凝固、温度…等起因的缺陷进行模拟和分析。不过,实际上还是会依制造商的开发技术、软体设计目的…等,而会有模组功能或精度上的差异。
    以铸造成形的模流软体分析为例,模流软体可以分析像是
    流动不顺(Misrun)、熔汤流痕(Metal wave)、热裂(Hot cracking)、烧付(Soldering)、卷入空气(Air entrapment)、气孔(Blowhole)、砂孔(Shrinkage cavity)…等缺陷。

  • 模流软体预期带来效果?

    由于模流软体可以模拟‧验证可能会发生之问题‧缺陷的关系,预期上应可带来下列效果。

    • 降低成本
      导入模流软体至制造流程内,除了可以在制作模具前以及产品发生问题后对问题‧缺陷进行模拟分析之外,还能对模拟分析结果进行改善方案的相关验证。待改善方案确认没问题后,再着手进行实际的模具方案的改善措施。
      也为此,相较于过往制造流程,导入模流软体的制造流程可以大幅度降低成本。
    • 提升品质
      而模流软体可以用来模拟分析问题‧缺陷的关系,这些分析结果想当然的也可以运用在模具方案上,来改善或提升模具和产品的品质。
      缩减开发时间
    • 缩减开发时间
      在产品制程上来说,往往最耗费时间的制程,莫过于开发制程上。在开发过程中除了检讨产品设计外,最耗时的就是针对开发产品进行测试和验证。而导入使用CAE的模流软体,在实际制造前就能进行模拟和验证的关系,可大幅缩减测试和验证所需的时间。
    • 降低环境负担
      开发过程中不管是制作模具还是生产试作品,除了会消耗大量资材和费用之外,在制造过程中也会产生大量的工业废弃物。举例来说,在生产时为方便产品可以顺利脱离模具所使用离型剂,会因受热而蒸发或劣化随之产生废气和废油。若能运用模流软体进行模具方案的模拟分析和验证,除了可以有效减少工业废弃物之外,也能降低环境负担。
    • 制造流程最佳化
      综合以上的特点,在制造流程中运用模流软体可以以最低成本进行产品设计的模拟分析,可持续的对分析结果进行测试和改善来提升品质,并以大量的测试数据为基础来达成最短时间的产品开发,而这也就是制造流程的最佳化。

  • 模流软体的局限?

    虽然模流软体可以分析模拟问题和缺陷,并带来前述的各种效果。但严格来说,模流软体所分析出来的结果,算是在完美条件下所得的实验室数据。若模流软体在进行模拟分析时,所设定之相关条件无法贴近实际制造环境条件的话,其分析出结果很容易出现偏差,并难以应用于模具方案的改善上。
    而在模流软体上通常可以设定模具和熔融材料的温度柱塞杆的射出速度‧位置射出‧增压压力…等基础制造条件。但在制造现场上,可能会有许多因素会影响到实际制造条件。举例来说,像是机台设备维护状况、工厂内的环境情形、现场人员的经验素质…等。

模流软体厂商和产品

  • 射出成形(Injection molding simulation)

    美国Autodesk的Moldflow、法国Dassault Systèmes S.A.的SolidWorks、台湾科盛科技(CoreTech System Co.)的Moldex3D、日本东丽工程(Toray Engineering D Solutions Co., Ltd.)的Timon Mold Designer…等。

  • 铸造成形(Casting simulation)

    日本日立产业控制(Hitachi Industry & Control Solutions, Ltd.)的Adstefan、法国ESI集团(ESI Group)的Procast、日本QUALICA(QUALICA Inc.)的Jscast、日本丰田系统(TOYOTA Systems corporation)的Topcast、美国Flow Science(Flow Science, Inc)的Flow-3D、韩国AnyCasting Software(AnyCasting Software co.,ltd.)Anycasting、瑞典Novacast的NovaFlow&Solid…等。

 

说明到这边,相信大家都对压铸和模流软体有大致上的认知了。那么在下一个单元,我们将会针对模流软体的应用上,介绍更详细的例子让大家更深入理解。
那么,期待我们在下个单元相见。

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